激光熔覆工艺参数对高速钢涂层性能的影响①

2022-01-06谭米雪赵风君隋清萱肖新宇许淑溶

矿冶工程 2021年6期

谭米雪，王臻，赵风君，隋清萱，肖新宇，许淑溶，刘博，龚乐，刘军

（中南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410083）

高速钢具有高硬度、高耐磨等优点，常用作表面强化材料［1-3］。但高速钢碳含量较高，以其制备表面涂层时存在碳化物偏析严重、不均匀和碳化物颗粒尺寸大等问题。激光熔覆是一种快速成形过程，冷却速率高，可以抑制晶粒生长，获得细小、分布均匀的碳化物和初生晶粒。激光熔覆制备涂层时，由于激光光斑大小的局限性，需要采取多道搭接激光熔覆技术［4-6］。搭接率是影响熔覆层性能的一个重要参数，不仅影响涂层的表面平整度，也会影响涂层性能。搭接率过小时，涂层表面平整度低；搭接率过大时，涂层可能会出现各向异性［7-10］。本文采取同轴送粉激光熔覆技术，研究了送粉速度、搭接率对高速钢熔覆层性能的影响，为制备高质量涂层提供技术依据。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验选用316L不锈钢作为熔覆基体，尺寸为200 mm×200 mm×10 mm，316L基体化学成分见表1。用砂纸打磨基体以去除表面氧化膜，并用丙酮擦拭基体表面。熔覆材料选用气雾化法制备的高速钢球形粉末，粒径70～150 μm，化学成分见表2。

表1 316L基体化学成分（质量分数）／%

表2 高速钢球形粉末化学成分（质量分数）／%

1.2 熔覆层的制备

激光熔覆系统示意图见图1。激光熔覆设备由光纤激光器、熔覆头、送粉系统、水冷系统和五轴数控系统组成。激光器最大输出功率2 000 W，激光光斑为圆形光斑，直径在2～3 mm内可调。熔覆头采用四通道同轴熔覆头，即两通道送粉、两通道送保护气，氩气作为载气和保护气，在熔覆头端处汇聚，从而防止熔池在凝固过程中氧化。

图1 激光熔覆系统

图2 为熔覆层搭接示意图，其中D为相邻熔覆道间的搭接宽度，W为单道宽度，搭接率R0可表示为相邻熔覆道间的搭接宽度与单道宽度之间的比值，即：R0＝D／W［11-12］。前期研究了激光光斑和扫描速度对单道次熔覆层性能的影响，当激光光斑直径2.6 mm、激光功率650 W、扫描速度600 mm／min时，单道熔覆层性能较佳。本文在此基础上研究送粉速度、扫描间距（搭接率）对多道次熔覆层性能的影响，具体工艺参数如表3所示。

图2 熔覆层搭接示意图

表3 各试样实验参数

1.3 熔覆层的表征

使用线切割机沿垂直于熔覆层方向，将样品切割成长×宽×高为8 mm×5 mm×4 mm的试样，先用细砂纸打磨试样，再用金刚石浆料抛光试样。用三维数码显微镜观察试样宏观形貌；用HMAS-D1000Z型显微硬度计测量试样硬度，试验载荷0.98 N，保荷时间10 s，熔覆层以熔覆初始位置为起点，从横截面沿搭接方向以0.1 mm为单位测量；用体积比3∶1的硝酸和盐酸混合溶液对试样进行腐蚀，用CX40M金相显微镜和TECAN MIRAS场发射电子显微镜（SEM）分析腐蚀后试样的微观组织，并用设备自带的能谱仪（EDS）分析熔覆层元素成分；用X射线衍射仪（Rigaku Ultima VI XRD）对熔覆层进行物相表征。

2 实验结果与讨论

2.1 熔覆层宏观形貌分析

图3 和图4分别为不同搭接率和送粉速度下多道熔覆层的表面和截面形貌。

图3 不同工艺参数下熔覆层表面形貌

图4 不同工艺参数下熔覆层截面形貌

从图3可以看出，当扫描间距一定时，在送粉速度0.4 r／min时，熔覆层表面球化现象更少，且表面更为平整。

从图4看出，扫描间距一定时，熔覆层高度随送粉速度增大而增大。扫描间距0.6 mm（搭接率23%）时，熔覆层中部都出现了孔洞；扫描间距0.9 mm（搭接率35%）时，熔覆层表面较为光滑和平整，无明显孔洞、裂纹，熔覆层成形较好；扫描间距1.2 mm（搭接率46%）时，熔覆层表面粗糙不平，相邻两道熔覆层之间出现沟壑，熔覆层成形质量差。

2.2 熔覆层显微组织分析

图5 为扫描间距0.9 mm（搭接率35%）时熔覆层金相组织。由图5看出，熔覆层结构紧密，无气孔、裂纹等缺陷。由图5（a）～（b）可见，结合区（BZ）有一道明亮的亮白组织，熔覆层在热影响区（HAZ）内与基体（SUB）实现了平稳过渡，达到了良好冶金结合效果。BZ呈现曲面状，这是因为基体与熔覆层之间多次受热，搭接面上不同位置温度不同，受热程度不同，从而在SUB与CZ之间的结合面形成了曲面状。曲面状的形成有利于增加熔覆层与基体之间的结合力［13］。由图5（c）可见，在熔覆层中部，过渡层之上有外延生长特征，组织结构呈现为平行于沉积方向的粗柱状晶。由图5（d）可见，熔覆至顶部时，由于快速凝固，组织结构呈现细小的等轴晶。由于二次热输入和搭接面余热共同作用，在搭接面不同部位热流方向存在差异，影响晶粒生长方向，导致搭接区和非搭接区之间的组织具有不均匀性，并且搭接区晶粒会比非搭接区晶粒粗大。

图5 熔覆层金相组织

熔覆层SEM图谱见图6，图中对应点EDS分析结果见表4。可以看出，熔覆层中合金元素分布均匀，碳化物偏析程度减弱。

图6 熔覆层的SEM图谱

表4 多道次熔覆层EDS分析结果（质量分数）／%

熔覆层XRD图谱见图7。结果表明，在熔覆成形过程中，γ⁃Fe全部转化为α⁃Fe，并且碳化物主要为M6C（其中M为Fe、W、Mo、Cr）以及少量的MC（其中M为V）。

图7 M2粉末和熔覆层XRD图谱

2.3 熔覆层显微硬度分析

图8 为基体及不同扫描间距下熔覆层显微硬度分布。由图8可见，熔覆层硬度明显高于316L基体硬度（平均硬度值为204.033HV）。熔覆层硬度分布较均匀，且随着扫描间距增大，熔覆层硬度先增大再减小。扫描间距0.6 mm（搭接率23%）时，熔覆层硬度值最低，平均硬度值为662.805HV，这是因为扫描间距太小时，单位面积熔覆层粉末的熔化量较小，熔覆层厚度较低，稀释率也较低，熔覆层无法与基体达到良好的冶金结合，不能保持更好的合金特性［14］。扫描间距0.9 mm（搭接率35%）时，熔覆层硬度达到最大，平均硬度值为750.154HV，约为基体硬度的3.68倍。但扫描间距1.2 mm（搭接率46%）时，熔覆层硬度有下降趋势，平均硬度值为703.89HV。这是因为熔覆层的重合面积逐渐增加，单位面积激光束重复扫描的时间增多，基体温度随着熔覆层道数增加而升高，基体和熔池之间温度差减小，后一道熔覆层对前一道熔覆层表层提供二次熔融条件，使熔覆组织生长、长大，从而降低熔覆层硬度。整体来说，不同扫描速度下熔覆层硬度略均高于316L基体硬度，起到强化作用，并且在扫描间距0.9 mm时强化作用最明显。

图8 基体及不同扫描间距下熔覆层的显微硬度

2.4 熔覆层耐磨性分析

图9 为316L基体的动摩擦系数曲线。由图9可见，316L动摩擦系数分布不均，波动大，平均动摩擦系数为0.470 8［15］。

图9 316L摩擦系数分布曲线

图10 为高速钢熔覆层动摩擦系数分布曲线。由图10可见，熔覆层动摩擦系数分布较均匀、波动小。不同送粉速度下，扫描间距0.9 mm时熔覆层的动摩擦系数均呈现出波动小、分布均匀的特点。图10（d）为扫描间距0.9 mm时，不同送粉速度对熔覆层动摩擦系数的影响，可以看出送粉速度0.4 r／min时，动摩擦系数最小，平均动摩擦系数为0.433 9。